第2章单片机芯片的硬件结构ppt课件

1、第2章 单片机芯片的硬件构造2.1 MCS-51单片机的逻辑构造及引脚信号2.2 MCS-51单片机的内部存储器2.3 MCS-51单片机并行输入/输出接口2.4 MCS-51单片机时钟电路与时序2.5 MCS-51单片机任务方式 . 2.1 MCS-51单片机的逻辑构造及引脚信号MCS-51单片机的组成 ：1. 8位CPU2. 片内ROM/EPROM、RAM3. 片内并行 I/O接口4. 片内16位定时器/计数器5. 片内中断处置系统6. 片内全双工串行I/O口 不同型号MCS-51单片机CPU处置才干和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。.2.1.1MCS-51 单片

2、机构造框图图2.1 MCS-51单片机系统构造框图.2.1.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑构造. 1中央处置器CPU 中央处置器CPU是单片机的中心，完成运算和控制功能，MCS-51单片机的CPU能处置8位二进制数或代码。 . 2、内部数据存贮器内部RAM 8051共有256个RAM，其中128个被公用存放器占用，能作为存放器供用户运用的只需128个单元，简称内部RAM. 3、内部程序存贮器内部ROM 8051共有4K掩膜ROM，用于存放程序，原始数据，表格。称程序存储器，简称内部ROM. 4、定时器/计数器 8051共有2个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以定时或计数结果对

3、计算机进展控制。. 5、并行I/O口 8051共有4个I / O口P0 P1 P2 P3以实现数据的并行输出，输入。. 6、串行I/O口 MCS-51的一个全双工的串行口，以实现单片机与其它设备之间的串行数据传输。该 口功能较强，既可作为全双工异步通讯收发器运用，也可作为同步移位器运用。. 7、中断控制系统 8051共有5个中断源，外中断2个，定时器/计数中断2 个，串行中断1 个。分为高级和低级两个级别。. 8、时钟电路 MCS-51内部有时钟，但晶振和微调电容需外接。系统允许最高频率为12MHZ. 9.位处置器 以形状存放器中的进位标志位C为累加位，可进展置位、复位、取反等操作。. 10、

4、总线 部件经过总线衔接起来。.2.1.3 MCS-51的信号引脚ALE 地址锁存允许信号端PSEN 外部程序存储器读选通讯号端EA 访问程序存储器选择信号端RST 复位信号XTAL1 XTAL2 外接晶体引脚VSS 地线VCC +5V电源MCS-51为规范40引脚双列直插式集成电路芯片1信号引脚功能 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 P2.0P2.7 、P3.0P3.7 4个8位并行双向 I/O 接口多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线或I/O 接口.逻辑符号：.2信号引脚的第二功能 P3口的8条口线都定义有第二功能，见下表.2.2 MCS-51单片机的内部存储器 共有2

5、56单元，其中低128单元(00H-7FH)为内部数据存储单元，高128单元(80H-FFH)为特殊功能存放器。2.2 .1 内部数据存储器低128单元.内部存储器低128单元(00H-7FH)1、通用存放器区 存放器用于存放操作数及中间结果。 地址：00H1FH，分为4组，组号分别为0、1、2、3，每组8个存放器，按R7 R0编号，CPU每次只运用1组。 究竟用哪一组，由程序形状字存放器PSW中的RS1/RS0位的形状组合来决议。 通用存放器有两种用法： 一以存放器方式运用； 二存储单元方式运用。.内部存储器低128单元(00H-7FH)2、位寻址区 地址：20H2FH，可按普通RAM字节单

6、元操作，也可按位操作，共128位，位地址为00H 7FH。“位有两种表示方法：1以位地址方式例：7FH；2以存储单元地址加位的方式表示2FH.7；.内部存储器低128单元(00H-7FH)3、用户RAM区 地址：30H7FH，供用户运用的普通RAM区，共80个单元；堆栈常开在此区。 对于用户RAM区，只能以存储单元的方式运用。. 这些存放器的功能厂家已作专门规定，故称为特殊功能存放器(SFR)，用于存放相应功能部件的控制命令、形状和数据。 占用字节地址：80HFFH，80C51的公用存放器共有22个，其中可寻址的21个。公用存放器： A、B、PSW、DPTR、PC2.2.2内部数据存储器高 1

7、28单元.1.公用 存放器简介1程序计数器PC PC是一个16位的计数器。 内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。 具有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。 PC没有地址，是不可寻址的； 但在执行转移、调用、前往等指令时能改动其内容。2.2.2内部数据存储器高 128单元.2累加器A累加器为8位存放器；功能如下：存放操作数；运算结果的暂存，用于存放中间结果；数据传送的中转站；在变址寻址方式中把累加器作为变址存放器运用。2.2.2内部数据存储器高 128单元.3B存放器 B存放器为8位； 主要用于乘除运算； 乘法运算时： B为乘数，乘积的高8位存于B中。 除法运算时： B为除数，除法操作

8、后，余数存于B中。2.2.2内部数据存储器高 128单元.4程序形状字PSW8位存放器，用于存放指令执行的形状信息。有些位硬件自动设置，有些位用软件设定。一些条件转移指令根据PSW的位形状来进展程序转移的。PSW的各位定义如下：2.2.2内部数据存储器高 128单元位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PCY：进位标志位一是存放算术运算的进位标志；二是在位操作中，作累加位运用。位传送、位与、位或等位操作中都要用到进位标志位。.4程序形状字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW

9、.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PAC：辅助进位标志位加减运其中当有低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位，否那么AC位被清0。.4程序形状字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PF0：用户标志位这是一个供用户定义的标志位，需求时用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。.4程序形状字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PRS1和RS0：存放器组选择位由软件设置用于设定通用存放器的组号。通用存放

10、器共有四组，其对应关系为： RS1 RS0寄存器组R0R7地址 0 000007H 0 11080FH 1 021017H 1 13181FH.4程序形状字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/POV：溢出标志位在带符号数加减运其中，OV1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围(一128一十127)，即产生了溢出，因此运算结果是错误的；否那么，OV0表示运算正确，即无溢出产生。在乘法运算其中，OV1表示乘积超越255，即乘积分别在B与A中;否那么，OV0，表示乘积只在A中。在除法运算中，OV1表

11、示除数为0，除法不能进展，否那么，OV0，除数不为0，除法可正常进展。.4程序形状字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PP：奇偶标志位阐明累加器A中1的个数的奇偶性，在每个指令周期由硬件根据A的内容对P位自动置位或复位。1为偶数，P=0；反之，P=1.5数据指针DPTR 数据指针为16位存放器，它是MCS51中独一的一个16位存放器。编程时，DPTR既可以按16位存放器运用，也可以按两个8位存放器分开运用，即： DPH DRTR高位字节 DPL DRTR低位字节 DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址

12、指针运用由于外部数据存储器的寻址范围为64KB，故DPTR设计为16位。 在变址寻址方式中，用DPTR作基址存放器，用于对程序存储器的访问。.2.公用存放器的字节寻址21个可寻址的公用存放器是不延续地分散在内部RAM高128单元之中。虽然还余有许多空闲地址，但用户并不能运用。在22个公用存放器中，独一一个不可寻址的公用存放器就是程序计数器(Pc)。PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的存放器。对公用存放器只能运用直接寻址方式,指令中既可运用存放器符号，也可运用存放器单元地址。 .2.2.3 MCS-51的堆栈操作 堆栈是一种数据构造，是一种只允许在一端进展操作的线性表。 数

13、据写入堆栈叫做入栈，数据从堆栈中读出叫做出栈。 堆栈数据操作的特点是“后进先出LIFO。1. 堆栈的功能 堆栈用于子程序调用和中断操作，主要功能是保管断点和维护现场。经过保管断点和维护现场，可以使计算机执行子程序或中断效力程序后正确前往主程序。 .2.2.3 MCS-51的堆栈操作2. 堆栈的开辟 堆栈只能开辟在内部数据存储器中。3. 堆栈指示器 堆栈数据操作都是在栈顶进展的，栈顶地址保管在堆栈指示器SP-Stack Pointer中。SP中的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。 系统复位后，SP的内容为07H。程序设计时，把SP值初始化为30H以后，以免占用珍贵的存放器区和位寻址区。.4堆栈类型

14、 两种类型：向上生长型和向下生长型 向上生长型堆栈：栈底在低地址单元。数据进栈，地址递增，堆栈指针SP上移。数据出栈，地址递减，堆栈指针SP下移。 向下生长型堆栈：栈底在高地址单元。数据进栈，地址递减，堆栈指针SP下移。数据出栈，地址递增，堆栈指针SP上移。2.2.3 MCS-51的堆栈操作.MCS-51属于向上生长型，堆栈的操作规那么如下：进栈操作：先SP加1，后写入数据出栈操作：先读出数据，后SP减15堆栈运用方式 进栈指令：PUSH 出栈指令：POP.2.2.4 内部程序存储器 80C51内部有4KROM存储单元，地址为0000H-0FFFH。 其中0000H-002AH单元为保管单元，

15、为系统启动单元。 系统复位后，PC=0000H，单片机从0000H单元开场读取指令执行程序。为了不使程序执行产生矛盾，在0000H-0002H单元需求存放一条无条件转移指令，使程序执行转到主程序的首地址。 0003H-002AH单元共40个单元被分成5段，每段8个单元，分别作为5个中断源的中断程序地址区，详细为： 0003H-000AH单元：外部中断0的中断效力程序地址区。 000BH-0012H单元：定时器/计数器0的中断效力程序地址区。 0013H-001AH单元：外部中断1的中断效力程序地址区。 001BH-0022H单元：定时器/计数器1的中断效力程序地址区。 0023H-002AH单

16、元：串行中断的中断效力程序地址区。 . 对于中断源的中断程序存放地址区，普通说来，只需8个单元不够存放完好的中断效力程序。因此，各中断源的中断效力程序地址区的首地址也存放一条无条件转移指令，使程序执行可以转去到该中断源的中断效力程序的首地址。. 2.2.5 MCS-51单片机系统的存储器构造特点两个重要特点：一是把数据存储器和程序存储器分开；二是存储器有内外之分。. 8051 的系统 RAM、ROM 构造总结 访问片内外 RAM 用不同指令识别 访问片内外 ROM 用控制线 /EA 识别 访问片内 RAM 用 MOV 访问片外 RAM 用 MOVX 访问片内外 ROM 使 /EA = 1 仅访

17、问片外 ROM 使 /EA = 0.2.3 MCS-51单片机并行输入/输出口电路 MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0P3，共32根口线。 每个端口都包括：锁存器SFR、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路。. P0 口的功能和特点 当 8051 仅运用片内 RAM、ROM 时 当 8051 要运用片外 RAM、ROM 时 P0口作为普通 I/O 口运用 字节操作时的名 P0 P0 口的字节地址 80H 位操作时的名 P0.0 P0.7 P0 口的位地址 80H 87H P0 口作 8 位数据线和 16 位地址线的低 8 位 即AD0 AD7 需处理数据/地址复用线的分别2.3.

18、1 P0口地址：80H.2.3.1 P0口图2.7 P0口电路逻辑. P1 口的功能和特点 仅作普通 I/O 口运用 字节操作时的名 P1 P1 口的字节地址 90H 位操作时的名 P1.0 P1.7 P1 口的位地址 90H 97H2.3.2 P1口地址：90H.图2.8 P1口电路逻辑2.3.2 P1口地址：90H. P2 口的功能和特点 当 8051 仅运用片内 RAM、ROM 时 当 8051 要运用片外 RAM、ROM 时 P2 口作为普通 I/O 口运用 字节操作时的名 P2 P2口的字节地址 A0H 位操作时的名 P2.0 P2.7 P2口的位地址 A0H A7H P2 口作 1

19、6 位地址线的高 8 位 即A8 A15 由于未复用，可直接运用2.3.3 P2口地址：A0H.2.3.3 P2口图2.9 P2口电路逻辑.特点：1作为通用I/O口运用，准双向口。2第二功能口。2.3.4 P3口地址：B0H图2.10 P3口电路逻辑.2.4 MCS-51 单片机时钟电路与时序2.4.1 时钟电路图2.11 MCS-51单片机的振荡电路 图2.12 MCS-51单片机的时钟电路框图 .2.4.2 时序定时单位1 拍节与形状 把振荡脉冲的周期定义为拍节(用P表示)。 振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为形状(用s表示)。 这样，一个形状就包含两个拍节

20、，其前半周期对应的拍节叫拍节1(PI)，后半周期对应的拍节叫拍节2(P2。.2 机器周期 MCS51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个形状，并依次表示为S1S6。由于一个形状又包括两个拍节，因此一个机器周期总共有12个拍节。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频，.3. 指令周期 指令周期是最大的时序定时单位；执行一条指令所需的时间。.2.4.3典型指令时序 MCS51共有111条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。 执行这些指令所需求的机器周期数目是不同的，概括起来共有以下几种情况：单字节指令

21、单机器周期和单字节指令双机器周期，双字节指令单机器周期和双字节指令双机器周期，三字节的指令都是双机器周期，而单字节的乘除指令那么为四机器周期。.现对几个典型指令的时序作如下阐明：1单字节单周期指令(例如INC A) 由于是单字节指令，因此只需进展一次读指令操作。当第二个ALE有效时由于PC没有 加1，所以读出的还是原指令，一次无效的操作。2双字节单周期指令(例如ADD A，#data) 这种情况下对应于ALE的两次读操作都是有效的，第一次是读指令操作码，第二次是读指令第二字节。.3单字节双周期指令 两个机器周期共进展4次读指令的操作，但其中后3次的操作全是无效的4单字节双周期(MOVX类指令) 执行这类指令时，先在ROM渎取指令，然后对外部RAM进展读写操作。第一机器周期时，与其它指令一样，第一次读指令(操作